Interpretation der halbjährigen Schwingung der ganztägigen Gezeitenwelle

Abb. 1: Für Januar, die migrierende ganztägige Gezeit im nordwärtigen Wind im linearen Modell (links) und im GCM (rechts). Gezeigt ist das Signal zu den lokalen Zeiten 0h (oben) und 6h (unten).

In der Mesosphäre wird das beobachtete Wind- und Temperaturfeld durch die großräumigen planetaren Wellen, thermisch getriebenen Gezeiten und kleinskaligen internen Schwerewellen geprägt. Aus der Sicht der Kopplung der atmosphärischen Höhengebiete sind die Gezeiten besonders interessant, weil jeweils die Anregung großräumig, damit beobachtbar, in der unteren Troposphäre und die Dämpfung und Wechselwirkung mit der dortigen Umgebung in der unteren Thermosphäre erfolgt. Klimatische Änderungen im Gezeitenantrieb, wie etwa durch die  Intensivierung des Wasserkreislaufes durch den anthropogenen Treibhauseffekt, sollten im Idealfall in der Mesosphäre abgebildet werden, da nichtlineare Effekte in der Gezeitenausbreitung vermutlich von geringer Bedeutung sind. Dieser Idealfall einer klassischen Gezeitenwelle wird durch den Einfluss des Windes und der, durch interne Schwerewellen induzierten, Gezeitendämpfung modifiziert.

Abb. 2: Für Januar, die Amplitude der nichtmigrierenden GG im nordwärtigen Wind bei 0°E. Gezeigt sind die Gesamtamplitude (total) und die Beiträge, die sich aus der direkten Absorption der kurzwelligen solaren Strahlung (SWH), der Erwärmung aufgrund von Kondensation und Konvektion (C+C), oder allen anderen Anteilen des Tagesgangs der atmosphärischen Heizraten ergeben (residual).

Unter Betrachtung des Jahresganges wird im Folgenden der Einfluss des Gezeitenantriebs und des zonalen Windes auf die migrierende ganztägige Gezeitenwelle (GG) und nichtmigrierende Komponenten von der unteren Mesosphäre bis zur unteren Thermosphäre untersucht. Dabei ist die migrierende Komponente der Anteil, welcher synchron der scheinbaren Bewegung der Sonne um den Globus folgt, während die nichtmigrierenden Anteile alle anderen Komponenten sind. Grundlage der Untersuchungen bilden einerseits die Gezeiten aus dem HAMMONIA-GCM (Schmidt et al., J. Climate 2006) und Beobachtungen von McLandress et al. (J. Geophys. Res. 1996 ) und Forbes et al. (J. Geophys. Res. 2003 ). Die Interpretation der Modelldaten und Beobachtungen erfolgt mit einem linearen Modell (siehe auch Bericht 40).

Abb. 3: Der Jahresgang der Amplitude der migrierenden GG im nordwärtigen Wind bei 20°N im linearen Modell. Gezeigt ist der gesamte Jahresgang (total), die Variation, die man unter Verwendung eines über das Jahr gemittelten thermischen Antriebs mit einer monatsabhängigen Hintergrundatmosphäre erhält (wind), und das entsprechende Ergebnis unter Verwendung einer ruhenden Atmosphäre mit über das Jahr und horizontal gemittelter Temperatur, aber monatsabhängigem thermischen Antrieb (forcing).

Abb. 1 zeigt für Januar einen Vergleich der migrierenden GG des meridionalen (d.h. nordwärtigen) Windes im GCM und im linearen Modell. Die Breiten und Höhenabhängigkeit des GCM wird gut durch das lineare Modell beschrieben, das den Antrieb und den mittleren Hintergrundwind des GCM berücksichtigt. Die vertikalen Wellenlängen sind vergleichbar. Die Unterschiede resultieren aus der linearen Parametrisierung der Gezeitendämpfung im linearen Modell. In den Experimenten mit dem linearen Modell konnte gezeigt werden, dass sich die migrierende Gezeitenstruktur im Wesentlichen aus dem  kurzwelligen solar bedingten thermischen Antrieb in der unteren Troposphäre ergibt. Der Beitrag durch die konvektive Wärmequelle ist wesentlich geringer. Die nichtmigrierende ganztägige Gezeitenwelle ist in Abb. 2 bei 0 °E Länge angegeben. Die Amplitude ist zu einem erheblichen Anteil durch die nichtmigrierende konvektive Wärmequelle gegeben und bildet damit diesen für die Troposphäre generell so wichtigen Prozess auch in der Mesosphäre ab. Dabei muss man aber beachten, dass die Parametrisierung der konvektiven Prozesse in der Troposphäre von GCM zu GCM sehr unterschiedlich sein kann, mit entsprechenden Auswirkungen auf die Gezeiten in der Mesosphäre. Vergleicht man die GG des GCMs und des linearen Modells mit den genannten Beobachtungen, findet man bis 100 km Höhe eine recht gute Übereinstimmung. Oberhalb von 100 km gilt dies weder für das GCM noch für das lineare Modell. Die Beobachtungen ergeben weiter erheblich geringere Amplituden der GG im zonalen Wind im Vergleich zum meridionalen Wind, was sowohl vom GCM als auch vom linearen Modell wiedergegeben wird.

Abb. 3 zeigt für das lineare Modell die Amplitude der migrierenden GG für den meridionalen Wind im Jahresgang sowie das entsprechende Resultat aus Experimenten, in denen entweder ein über das Jahr gemittelten thermischer Antrieb mit einer monatsabhängigen Hintergrundatmosphäre, oder einer ruhende Atmosphäre mit über das Jahr und horizontal gemittelter Temperatur, aber monatsabhängigem thermischen Antrieb verwendet wurde. In allen Experimenten ergibt sich eine halbjährige Oszillation (SAO). Der jahresgangabhängige Antrieb erzeugt eine Abnahme der GG im Feld des Meridionalwinds mit der Höhe (wie in den Beobachtungen) und vergleichbare Amplituden im März und Oktober (nicht in den Beobachtungen).

Das Experiment mit der jahreszeitlichen Abhängigkeit des Hintergrundwindes ergibt eine Asymmetrie zu den Äquinoktien, aber zu hohe Amplituden oberhalb von 100 km. Vergleicht man die GG des GCMs und des linearen Modells im Meridionalwind bei 35 °N mit entsprechenden Beobachtungen, so ist die Übereinstimmung weniger gut, besonders oberhalb von 100 km. Für die zonale (d.h. ostwärtige) Gezeitenwindkomponente ergeben die Modelle zwar zu den Äquinoktien gleiche Amplituden wie die Beobachtung. Die Übereinstimmung ist aber nicht sehr ausgeprägt.

Abb. 4: Der Jahresgang der Amplitude der drei wichtigsten ganztägigen nichtmigrierenden Gezeitenkomponenten im nordwärtigen Wind im GCM (bei 93 km Höhe) und im linearen Modell (bei 93km und 65km Höhe). Gezeigt sind die zonalsymmetrische Komponente (DS0), die westwärts propagierende Komponente bei der zonalen Wellenzahl 2 (DW2), und die ostwärts laufende Komponente bei der Wellenzahl 3 (DE3).

Welche charakteristischen Eigenschaften zeigen die nichtmigrierenden ganztägigen Gezeitenkomponenten? Von Bedeutung sind in der ganztägigen Gezeit die westwärts wandernde Welle mit zonaler Wellenzahl 2 (DW2), die ostwärts wandernde Welle mit Wellenzahl 3 (DE3) und die zonalsymmetrische Komponente (DS0). Betrachten wir zunächst DW2. Abb. 4 zeigt den Jahresgang von DW2 im nordwärtigen Wind in 93 km Höhe für das GCM und das lineare Modell, und für 62 km Höhe die für das lineare Modell. In 93 km Höhe ist klar die SAO in beiden Hemisphären erkennbar. In 62 km Höhe sieht man eine Oszillation mit der Periode eines Jahres, wobei das Maximum im Winter der nördlichen Hemisphäre bei ~ 30 ° Breite liegt. Es ist bekannt, dass der mittlere zonale Wind oberhalb von 60 km eine SAO zeigt, die offenbar auch den Meridionalwind beeinflusst. Führt man für die DW2 die analogen Experimente wie in Abb. 3 aus, dann zeigt sich, dass in der Tat der zonale mittlere Wind eine SAO in der DW2-Komponente bewirkt, zuzüglich zu dem Anteil der SAO, der sich aus dem jahreszeitlichen thermischen Antrieb ergibt (nicht gezeigt). Betrachtet man die Westwindkomponente, dann zeigt diese ebenfalls eine SAO in beiden Hemisphären, mit einer Amplitude von etwa 50% der des nordwärtigen Winds. Man findet demnach eine vergleichbare Abhängigkeit wie für die migrierenden Komponente. Im Unterschied zur migrierenden GG ist die SAO der DW2-Komponente aber auch bei 35±N ausgeprägt. Entsprechende jahreszeitliche Abhängigkeiten wurden für die DE3 und die DS0 durchgeführt. Es zeigt sich, dass sowohl das GCM als auch das lineare Modell die Beobachtungen insbesondere der DS0 nicht gut beschreiben. Die Experimente analog zu Abb. 3 für diese Komponenten ergeben aber Hinweise, dass die Modelle sehr empfindlich sowohl auf die Parametrisierung der internen Wellen reagieren als auch auf Nichtlinearitäten, besonders bei DS0, die aus der Kopplung mit planetaren Wellen resultieren.

Zusammenfassend zeigen die Experimente, dass das Bild der linearen Gezeitenwelleausbreitung geeignet ist, die Auswirkungen von klimatischen Veränderungen in der Troposphäre auch in den Höhen der Mesosphäre angeben zu können. Als Resultat der Verkopplung der atmosphärischen Schichten könnten somit aus Veränderungen in der Mesosphäre Erkenntnisse über troposphärische umweltrelevante Vorgänge gewonnen werden. An der berichteten Arbeit extern beteiligt ist H. Schmidt, MPI für Meteorologie, Hamburg.

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